Бесплатная энергия против стандартной свободной энергии
Что такое бесплатная энергия?
Объем работы, которую может выполнять термодинамическая система, известен как свободная энергия. Свободную энергию можно описать двумя терминами: свободная энергия Гельмгольца и свободная энергия Гиббса. В химии, когда мы используем слово «свободная энергия», это означает свободную энергию Гиббса. В физике свободная энергия относится к свободной энергии Гельмгольца. Оба термина описаны ниже.
Второй закон термодинамики связан с энтропией и гласит, что «энтропия Вселенной возрастает спонтанно». Энтропия связана с количеством выделяемого тепла; это степень деградации энергии. Но на самом деле количество дополнительного беспорядка, вызванного данным количеством тепла q, зависит от температуры. Если уже очень жарко, немного дополнительного тепла не вызовет большего беспорядка, но если температура очень низкая, такое же количество тепла вызовет резкое увеличение беспорядка. Поэтому более уместно написать:
ds = dq / T
Чтобы проанализировать направление изменений, мы должны учитывать изменения как в системе, так и в окружающей среде. Следующее неравенство Клаузиуса показывает, что происходит, когда тепловая энергия передается между системой и окружающей средой. (Считайте, что система находится в тепловом равновесии с окружающей средой при температуре T)
dS - dq / T ≥0. ………… (1)
Если нагрев осуществляется при постоянном объеме, мы можем записать приведенное выше уравнение (1) следующим образом. Это уравнение выражает критерий спонтанной реакции только в терминах функций состояния.
dS - dU / T ≥0
Уравнение можно переформулировать, чтобы получить следующее уравнение.
TdS ≥dU (уравнение 2), поэтому его можно записать как
dU - TdS ≤0
Вышеприведенное выражение можно упростить, используя термин энергия Гельмгольца, A, который можно определить как
A = U-TS
Из приведенных выше уравнений мы можем вывести критерий спонтанной реакции как dA ≤0. Это означает, что изменение в системе при постоянной температуре и объеме является спонтанным, если dA ≤0. Таким образом, изменение является спонтанным, когда оно соответствует уменьшению энергии Гельмгольца. Следовательно, эти системы движутся спонтанно, чтобы получить более низкое значение A.
Свободная энергия Гиббса связана с изменениями, происходящими при постоянном давлении. Когда тепловая энергия передается при постоянном давлении, происходит только работа расширения; поэтому мы модифицируем и запишем уравнение 2 следующим образом.
TdS ≥dH
Это уравнение можно переформулировать так, чтобы получить dH-TdS≤0. Используя термин свободная энергия Гиббса, G, это уравнение можно записать как
G = H-TS
При постоянных температуре и давлении химические реакции протекают самопроизвольно в направлении уменьшения свободной энергии Гиббса. Следовательно, dG ≤0
Что такое стандартная бесплатная энергия?
Стандартная свободная энергия - это свободная энергия, определенная при стандартных условиях. Стандартные условия: температура 298 К; давление 1 атм или 101,3 кПа; и все растворенные вещества в концентрации 1 М. Стандартная свободная энергия обозначается Go.
В чем разница между свободной энергией и стандартной свободной энергией?
• В химии свободная энергия называется свободной энергией Гиббса. Это связано с изменениями, происходящими при постоянном давлении. Стандартная свободная энергия - это свободная энергия, определенная при стандартных условиях.
• Таким образом, стандартная свободная энергия дается при температуре 298K и давлении 1 атм, но значение свободной энергии может изменяться в зависимости от температуры и давления.
